重庆大剧院剧场暖通空调方案模拟设计

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1、重庆大剧院剧场暖通空调方案模拟设计重庆大学城市建设与环境工程学院唐盈卢军华东建筑设计研究院有限公司任兵杨裕敏摘要本文根据重庆大剧院建筑及空调设计建立模型，提出5种合理的空调运行工况，通过权威CFD商业软件PHOENICS3.6.1，对重庆大剧院座椅送风的分层空调方案进行了模拟验证。获得了温度场、风速场、PMV、PPD和空气龄分布等比较直观的数据和图形，并对各工况进行了分析和比较，选出较优的工况，分析了产生不利因素的原因，并提出了改善空调效果的建议。关键词大剧场CFD数值模拟PHOENICS高大空间分层空调0引言近几年来,随着计算机大容量化和高速度化以及计算流体力学(Computat

2、ionalFluidDynamics,简称CFD)的发展,逐步普及应用CFD技术模拟预测高大空间建筑空调系统的气流组织、热舒适性以及优化设计方案成为可能[1]。本文利用PHOENICS3.6.1软件,对重庆大剧院大剧场座椅送风分层空调方案的热舒适性与气流组织进行了模拟研究,所得研究结论为高大空间类建筑空调系统优化设计、预测气流组织等提供了理论依据和指导方法。目前CFD商用软件众多，国际公认的英国权威CFD技术研究机构——英国帝国理工学院CHAM研究所开发的商用软件PHOENICS，即ParabolicHyperbolicorEllipticNumericalIntegrationC

3、odeSeries（抛物型、双曲型、椭圆型方程进行数值积分的系列程序），经过多年的理论及工程经验的积累，并经过上千个算例的实验验证，能保证计算结果的准确性。本文采用最新版本的PHOENICS3.6.1。由于篇幅有限,本文仅对重庆大剧院大剧场分层空调方案夏季数值模拟进行了探讨和研究。1工程概况重庆大剧院位于长江和嘉陵江交汇的江北城，建筑总用地40020平方米，总建设面积9.9万平方米，建筑高度64米。其中地上7层，建筑面积61568平方米；地下两层，建筑面积37442平方米。大剧院内设一个大剧场和一个中剧场，分别能够容纳1770和863名观众。重庆大剧院于2005年6月19日破土动工

4、，大剧场的绝大部分区域的空调方案定为座椅送风，后部侧墙回风，顶部排风。分层空调是指仅对下部区域进行空调,而对上部区域不空调的空调方式。与全室空调相比,夏季可节省冷量30％左右。分层空调适于高大建筑,当高大建筑物高度H≥10m,建筑物体积V＞1万m3,空调区高度与建筑高度之比h1/H≤0.5时,才经济合理[2]。重庆大剧院大剧场层高H=22m,剧场体积V=2.75万m3,空调区高度与建筑高度之比h1/H=0.09，故采用分层空调较为适宜。2数值模拟2.1物理模型大剧场以中剖面为对称面，两边完全对称（如图1），为降低模型复杂程度和计算时间，只建立半个模型，以下的参数均为半模型的值。根据

5、建筑图由CAD建立stl格式的模块，再导入PHOENICS，成为dat格式，包含大量曲线因素的墙面、地面台阶、座椅及人体模型都通过这种方式建立。全部建筑模型完全按照建筑施工图进行建立。人体较为复杂，将人体模型简化为四部分：头部为圆柱体，身体和双臂简化为一个长方体，大腿和小腿分别简化为一个长方体。（如图2）模型区域尺寸为41m×16m×22m。一、二、三层标高分别为0.0m、7.8m、13.79m，总共容纳885人，一、二、三层分别容纳558人、149人、178人。2.2数学模型①座椅送风(885个)②回风口(3个)③排风口(2个)④座椅⑤人体模型⑥舞台前端⑦顶灯图1大剧场效果图图2

6、大剧场模型2.2.1控制方程高大空间室内气流的流动状态为湍流。模拟采用的数学模型通用表达式如下[3]：div(ρuΦ)=div(ΓΦgradΦ)+SΦ（1）式中，Φ为通用变量，SΦ为广义源项，ΓΦ为广义扩散系数。湍流模型方程选用Y.S.Chen和S.W.Kim提出的k-εCHEN湍流模型[4]。与标准的k-ε湍流模型不同的是，k-εCHEN湍流模型引入了一个附加的时间比尺，并修改了几个系数，2.2.2数学模型的离散方法本文采用的离散方法为有限体积法，也称为控制体积法(FVM，即FiniteVolumeMethod)[3]。2.2.3离散方程组的求解方法本文采用的计算方法为压力校正法

7、(SIMPLE,即Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations)[3]。2.3边界条件2.3.1风口大剧院的舒适性要求较高，根据甲方要求，剧场人区设计温度为24℃，人均新风量为20m3/h，送风量为65～70m3/h，送风方式采用座椅送风，每座一个，座椅的支撑物为中空的立方体，兼作送风口，冷空气从四面的多孔板送出。为了简化计算，将送风方式改为地板送风，送风口为座椅下地面条形风口，将同水平面的送风口建为一个模型，这样大大减